計測工学16 センサとセンシング 2010年11月15日（月） Ⅱ限目 前回の授業の内容 • 第6章：機械的な測定原理、測定方法を学習 • 長さ、角度、面の平らさ、質量、力、圧力、流 速、温度など… • 物理的な特性を用いた計測手法であり、より 細かな測定値・精度が欲しい場合もある。 そこで… 前回の授業の内容 • 第6章：機械的な測定原理、測定方法を学習 • 長さ、角度、面の平らさ、質量、力、圧力、流 速、温度など… • 物理的な特性を用いた計測手法であり、より 細かな測定値・精度が欲しい場合もある。 そこで… 前回の授業の内容 • センサの登場。 • 機械的な測定手法よりも細かな精度での測定 が可能な場合も • 電気信号に変換されるため、計算機(コン ピュータ)や電気回路に情報として入力が容易 センサ • センサ (sensor) は、物理量を信号(主に電気 信号)に変換する電気回路構成要素である。 計測器の心臓部として使われる他、各種電 子機器に組み込まれて、状態検出や自動制 御に利用される。（Wiki pediaより） センサ • ロボットや制御では外部の状況を知りたい • 人間の神経(五感)に相当 • 時には人間の五感を超える能力もある • 一般的に１つの状態を把握するには1つのセ ンサが必要 センサ • 五感とは？ センサ • 五感とは？ 視覚、聴覚、触覚、味覚、嗅覚 固有感覚(運動感覚)、平衡感覚 人間の五感の能力を超えた信号 電磁波、赤外線、放射線、 超音波、低周波振動、分子の動き などを検出可能 センサ • センサにて検出できる物理現象を電気信号 に変換 • 距離、位置、角度、力、温度などに対応。 • 計算機や電気回路に現在の状況を、 電気信号としてフィードバック 電気マイクロメータ • 差動変圧器方式 – – – – – 変位、長さの測定 教科書P94 図7.1 可動鉄心の動きによるブリッジ回路の電圧変化を測定 測定レンジ 数μｍ～数ｍｍ 接触式、小形、高感度、測定力が小さい – – 型式 DTHL02 DTHL08 DTHL15 測定力 0.0196N 0.0785N 0.147N 測定範囲 ±0.5mm ストローク 1.5mm 零点位置 約0.5mm 繰返し精度 0.3μm シチズンセイミツ：エレメトロン リニアエンコーダー • • • • スリットの重なり具合でA相とB相の信号を生成 A相とB相は位相がπ／２だけ異なる 移動方向によって、位相の進み／遅れが異なる 分解能 0.05～5μm A相 正方向 B相 A相 逆方向 B相 • リニアエンコーダー • カウンタ回路例 A相 モノマルチ モノマルチ B相 A相 正方向 B相 up down & up & カウンタ down リニアエンコーダー • カウンタ回路例 A相 モノマルチ モノマルチ B相 A相 逆方向 B相 up down & up & カウンタ down レーザ利用による変位、長さ測定 • レーザ干渉測長器 – レーザ光の干渉を利用して、長さの精密測定を 行う – レーザの波長のオーダの分解能 （10 -7m） • レーザ測長器 – レーザで測定物を走査（スキャン）し、測定物にさ えぎられた光線幅をカウント 近接距離測定 • 超音波センサ – 超音波パルスを物体に向けて発射し、反射して戻ってくる までの時間を測定（パルスエコー法） – 周波数 40kHz～400kHz – 移動ロボットの距離センサ、来客検知、液面測定等 • リードスイッチ – 磁性体からなる切片（磁石を近づけると接点が閉じる） – ドアやシリンダの往復運動のリミット検出 • 光電センサ – PD(フォトダイオード）で光量を測定（LEDと対向させたり、 物体による反射を検出） PSD(Position Sensitive Detector) • 半導体位置検出素子 – スポット光の位置で電流が変化 • 発行素子のLED、信号処理回路などが一体となった測 距センサユニットがある 近いほど出力電圧が大きい 熱線流速計 • 電流で加熱したタングステンまたは白金線を 流体中に置くと、冷却は流速の大きさによっ て変化する。 • 定電流法 – 加熱電流を一定とし電気抵抗を測定する • 定温度法 – 熱線の温度（または抵抗）を一定とするように電 流を流し、測定する。 ポテンショメータ • 回転角を測定 • 回転に応じた抵抗値を得る 出力特性には以下の2種類が存在 – A型 指数曲線出力 – B型 リニア出力 • 無接触ポテンショメータ – 磁気抵抗素子と永久磁石からなる – 回転トルクが少なく、接触抵抗や磨耗がない ロータリーエンコーダ • リニアエンコーダと同様に、回転角測定 • インクリメンタル型 – A相、B相の２相パルス（回転角と回転方向） – 回転原点を検出するZ相（1回転に１パルス） – （ http://www.onosokki.co.jp/HP-WK/products/category/encoder.htm） ロータリーエンコーダ • アブソリュート型 • 2進nビット出力 – 8bit 分解能 1.4°（＝360/256） – 12bit 分解能 0.088°（＝360/4096） • 絶対角度が検出できる ひずみゲージ，ストレインゲージ • 金属または半導体の細線の伸縮による電気 抵抗の変化を測定 • 測定方向 • さまざまなパターンもある ピエゾ抵抗型半導体圧力センサ • 圧力を感知するダイアフラムとストレインゲー ジを半導体内に一体形成 • ０～３０MPa程度を検出 • 自動車等などで2000万個／年の需要がある 感圧導電性ゴム ゴム（絶縁） 圧力 抵抗減少 炭素粒子（導電） 感圧導電性ゴム 圧力分布（抵抗分布）を得る マルチプレクサで走査 マ ル チ プ レ ク サ で 走 査 自動車シート ベッドシートの感圧 ロボットの触覚 データグローブ等 サーミスタ • 抵抗変化の温度係数が大きい半導体素子 • 抵抗の変化によって温度測定 – ー50℃から350℃ • ブリッジ回路で測定 • 家電機器、工場設備等の温度測定と制御 熱電対 • 異なる金属線の接合 • ゼーベック効果（接合点の温度差に対応する 起電力） • 測定温度範囲 – 白金・ロジウム ０～１６００℃ – クロメル・アルメル －２００～１２００℃ – 銅・コンスタンタン －２００～３５０℃ • 丈夫で応答が速い フォトセル（CdS） • 光導電効果（光の照射によって抵抗率が減 少） • 応答速度は遅いが安価 – カメラの露光計 – 街路灯スイッチ – メロディカード フォトダイオード • フォトダイオード – 光をあてると光量に比例した電流が流れる – 高速応答 • フォトトランジスタ – トランジスタ構造に光を当てると電流が流れる – フォトダイオードより高感度 – フォトダイオードより応答時間が遅い • 応用 • カメラの照度計 • 光通信 • 光スイッチ CCD • 電荷結合素子（Charge Coupled Device） • フォトダイオードアレイで構成 • 応用分野 – ディジタルカメラ – ロボットの目 – 監視用カメラ ホールIC • ホール効果 • 磁気測定 磁界 電子 電流
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